熱障涂層中熱生長(zhǎng)氧化物層殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種熱障涂層中熱生長(zhǎng)氧化物層殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)方法，包括如下步驟：通過(guò)特定波長(zhǎng)的激光束，入射到被測(cè)的所述熱障涂層的表面，激發(fā)出所述熱障涂層中熱生長(zhǎng)氧化物層內(nèi)微量元素Cr3+的熒光光譜；將所激發(fā)出的Cr3+的熒光光譜特征峰與無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下所激發(fā)出的Cr3+的熒光光譜特征峰相比較，根據(jù)特征峰的偏移量計(jì)算熱生長(zhǎng)氧化物層內(nèi)應(yīng)力的分布。本發(fā)明能解決傳統(tǒng)應(yīng)力檢測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)TGO層應(yīng)力測(cè)量的技術(shù)難題；無(wú)需破壞試樣本身即可檢測(cè)涂層試樣經(jīng)各種不同的工況（如熱震、恒溫氧化、熱循環(huán)或高溫焰流熱沖擊等）考核前后TGO層內(nèi)應(yīng)力的變化，為涂層的服役行為及失效機(jī)理研究提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)；為實(shí)際工件服役前后涂層中TGO內(nèi)應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)提供可行性。
【專利說(shuō)明】
熱障涂層中熱生長(zhǎng)氧化物層殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種熱障涂層中熱生長(zhǎng)氧化物層殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)方法，更具體地，涉及一種對(duì)采用等離子體噴涂-物理氣相沉積(PS-PVD)工藝制備的熱障涂層中熱生長(zhǎng)氧化物層(TGO)內(nèi)殘余應(yīng)力進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]熱障涂層(TBCs)是發(fā)動(dòng)機(jī)葉片技術(shù)的三大關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)于促進(jìn)先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，尤為重要的是獲得高溫服役性能優(yōu)異、高可靠、長(zhǎng)壽命的熱障涂層。目前熱障涂層常用制備工藝主要是采用等離子體噴涂(PS)和電子束-物理氣相沉積(EB-PVD)。等離子噴涂熱障涂層由熔融和半熔融的熔滴經(jīng)沉積，鋪展和快速冷卻固化形成的扁片層堆積而成，通常為層狀結(jié)構(gòu)，涂層隔熱性能好，但由于涂層界面結(jié)合較弱，抗熱震性能要低于EB-PVD涂層，而EB-PVD涂層的柱狀晶結(jié)構(gòu)使得其隔熱性能要劣于前者。
[0003]近年來(lái)一種基于超低壓等離子體噴涂的新噴涂工藝，即等離子體噴涂-物理氣相沉積(Plasma Spray-Physical Vapor Deposit1n，簡(jiǎn)稱PS-PVD)，兼具PS和EB-PVD兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，陶瓷粉體經(jīng)等離子加速、熔融及氣化過(guò)程中，可通過(guò)氣相、液相與固相的共沉積，實(shí)現(xiàn)不同組織結(jié)構(gòu)(致密、層狀和柱狀等)的復(fù)合，在涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備方法等方面獲得了突破，為研制新一代高可靠性、長(zhǎng)壽命熱障涂層提供了新的思路和技術(shù)可行性。
[0004]熱障涂層通常由4個(gè)材料基元構(gòu)成，即表面陶瓷涂層、高溫合金基底、基底與陶瓷涂層之間富含鋁元素的金屬粘結(jié)層以及在陶瓷涂層與金屬粘結(jié)層之間形成的以α-氧化鋁為主要成分的熱生長(zhǎng)氧化物層(Thermally Grown Oxide，TG0)。熱障涂層的失效位置常發(fā)生在陶瓷層/TGO/金屬粘結(jié)層的界面處或靠近界面附近的陶瓷層中。可見熱生長(zhǎng)氧化物層是影響熱障涂層材料熱力學(xué)性能和耐久性的關(guān)鍵因素。
[0005]當(dāng)整個(gè)涂層體系由高溫工作狀態(tài)冷卻到常溫環(huán)境時(shí)，涂層與基體之間的熱膨脹失配現(xiàn)象將在TGO層中產(chǎn)生?3?6GPa的殘余壓應(yīng)力。同時(shí)TGO層的增厚過(guò)程中其本身也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，其值一般為?lGPa，同樣對(duì)材料性能的影響很明顯。TGO層的厚度通常僅為3?10μm，其中儲(chǔ)蓄的應(yīng)變能密度相當(dāng)高，足以誘發(fā)各種微裂紋的擴(kuò)展，進(jìn)而可導(dǎo)致涂層局部薄弱區(qū)域開裂。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)獲得涂層經(jīng)不同工況服役后TGO層內(nèi)的應(yīng)力分布特征對(duì)研究涂層構(gòu)件的服役行為和失效機(jī)制以及對(duì)涂層構(gòu)件服役壽命預(yù)測(cè)模型的建立具有重要意義。
[0006]涂層殘余應(yīng)力測(cè)試可分為無(wú)損和有損兩類檢測(cè)方法，無(wú)損檢測(cè)主要包括衍射法(X射線衍射、中子衍射法和同步輻射衍射法)、曲率法等，有損檢測(cè)主要有鉆孔法、除層法等。衍射法是通過(guò)測(cè)定涂層材料表面附近由于應(yīng)力引起的晶格形變來(lái)獲得應(yīng)力分布；曲率法一般用于測(cè)量涂層在沉積過(guò)程中的殘余應(yīng)力分布，該方法是通過(guò)測(cè)量基體的曲率變化來(lái)計(jì)算沉積殘余應(yīng)力;鉆孔法是指若涂層內(nèi)存在殘余應(yīng)力，在應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)任意點(diǎn)逐層鉆孔，該處的應(yīng)力即被逐漸釋放，所鉆盲孔周圍將產(chǎn)生一定量的釋放應(yīng)變，通過(guò)粘貼到涂層表面的應(yīng)變片記錄釋放后的表面應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可獲得涂層中應(yīng)力的分布。除層法是通過(guò)機(jī)械或者化學(xué)的方法逐層去掉涂層，釋放其中的應(yīng)力，同時(shí)利用各種技術(shù)檢測(cè)應(yīng)變，進(jìn)而獲得應(yīng)力的分布。
[0007]以上傳統(tǒng)的應(yīng)力檢測(cè)手段均難以實(shí)現(xiàn)TGO層中的應(yīng)力檢測(cè)，原因在于:①由于在TGO層表面還有一層厚度約100?500μπι的表面陶瓷層，X射線在涂層中的穿透深度由其波長(zhǎng)和涂層材料的性質(zhì)決定，通常僅為?ΙΟμπι，如此弱的穿透能力大大限制了該方法的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的X射線法相比，同步輻射X射線和中子衍射技術(shù)具有比常規(guī)X射線更強(qiáng)的穿透能力，但受到儀器設(shè)備等條件的限制，目前該類方法并未在涂層應(yīng)力測(cè)量方面獲得廣泛的應(yīng)用;②TGO的厚度一般僅為3?ΙΟμπι，而曲率法、鉆孔法和除層法等方法均難以滿足此苛刻的精度要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服上述現(xiàn)有的應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)存在的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種熱障涂層中熱生長(zhǎng)氧化物層殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)方法，可成功地解決其它涂層應(yīng)力檢測(cè)手段無(wú)法測(cè)量TGO層內(nèi)應(yīng)力分布的不足且無(wú)需破壞被測(cè)試樣。
[0009]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種熱障涂層中熱生長(zhǎng)氧化物層殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)方法，包括如下步驟:通過(guò)特定波長(zhǎng)的激光束，入射到被測(cè)的所述熱障涂層的表面，激發(fā)出所述熱障涂層中熱生長(zhǎng)氧化物層內(nèi)微量元素Cr3+的熒光光譜;將所激發(fā)出的Cr3+的熒光光譜特征峰與無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下所激發(fā)出的Cr3+的熒光光譜特征峰相比較，根據(jù)特征峰的偏移量計(jì)算熱生長(zhǎng)氧化物層內(nèi)應(yīng)力的分布。
[0010]根據(jù)本發(fā)明，①可通過(guò)Cr3+熒光壓譜法獲得TGO層內(nèi)應(yīng)力的分布，解決傳統(tǒng)應(yīng)力檢測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)TGO層應(yīng)力測(cè)量的技術(shù)難題;②該方法在檢測(cè)TGO層應(yīng)力時(shí)，無(wú)需破壞試樣本身即可檢測(cè)涂層試樣經(jīng)各種不同的工況(如熱震、恒溫氧化、熱循環(huán)或高溫焰流熱沖擊等)考核前后TGO層內(nèi)應(yīng)力的變化，為涂層的服役行為及失效機(jī)理研究提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ);③為實(shí)際工件服役前后涂層中TGO內(nèi)應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)提供可行性。
[0011]優(yōu)選地，標(biāo)注最強(qiáng)的兩個(gè)熒光峰辦和他線的特征峰位置，在計(jì)算所述熱生長(zhǎng)氧化物層內(nèi)的應(yīng)力時(shí)，選用R2線光譜特征峰，所述他線光譜特征峰的偏移量Δ uTGQ與所述熱生長(zhǎng)氧化物層內(nèi)的殘余應(yīng)力0TGQ之間呈線性關(guān)系，即:Δ Utgo= Πχοο.0tgci，其中Πταο為壓電系數(shù)且為常量，以此由所述心線光譜特征峰的偏移量獲得所述熱生長(zhǎng)氧化物層內(nèi)殘余應(yīng)力的分布。
[0012]優(yōu)選地，所述熱障涂層通過(guò)等離子體噴涂-物理氣相沉積工藝制備，所述熱障涂層依次包括高溫合金基底，金屬粘結(jié)層，熱生長(zhǎng)氧化物層和表面陶瓷層。
[0013]較佳地，可對(duì)所述高溫合金基底進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理包括對(duì)所述高溫合金基底待噴涂表面進(jìn)行粗糙化和凈化處理。
[0014]較佳地，可在所述高溫合金基底上采用噴涂工藝制備所述金屬粘結(jié)層，所述噴涂工藝包括低壓等離子體噴涂、真空等離子體噴涂或超音速火焰噴涂等工藝;優(yōu)選地，所述金屬粘結(jié)層的材料為MCrAlY，其中M為Ni或NiCo。更優(yōu)選地，金屬粘結(jié)層的厚度可為75?250μmD
[0015]較佳地，所述熱生長(zhǎng)氧化物層可以是在制備所述表面陶瓷層之前通過(guò)預(yù)氧化處理工藝在所述金屬粘結(jié)層的表面形成。
[0016]或者，所述熱生長(zhǎng)氧化物層也可以是經(jīng)高溫服役后由于所述金屬粘結(jié)層的氧化而形成。
[0017]其中，所述熱生長(zhǎng)氧化物層的主要成分為α-Α1203。優(yōu)選地，TGO層的厚度可為0.1?1um0
[0018]此外，所述表面陶瓷層可采用等離子體噴涂-物理氣相沉積工藝制備，所沉積的涂層材料可為氧化乾部分穩(wěn)定的氧化錯(cuò)。優(yōu)選地，表面陶瓷層的厚度可為100?500μηι。
[0019]也就是說(shuō)，本發(fā)明中的熱障涂層試樣可采用如下步驟制備:
首先，對(duì)所述高溫合金基底進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理包括對(duì)所述高溫合金基底待噴涂表面進(jìn)行粗糙化和凈化處理；
之后，在已預(yù)處理的高溫合金基底表面采用噴涂工藝制備金屬粘結(jié)層；
之后，將金屬粘結(jié)層進(jìn)行預(yù)氧化處理或高溫服役并形成熱生長(zhǎng)氧化物層；
最后，采用等離子體噴涂-物理氣相沉積工藝制備所述表面陶瓷層。
[0020]又，可通過(guò)對(duì)所述熱障涂層進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)或面掃描檢測(cè)以獲得所述熱障涂層上較大區(qū)域(毫米或厘米量級(jí))內(nèi)的大量應(yīng)力數(shù)值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由此，使得應(yīng)力測(cè)值具有高的可重復(fù)性和可信性。
[0021]本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
1.本發(fā)明采用的Cr3+熒光光譜法能夠有效地表征PS-PVD工藝制備的YSZ涂層在制備過(guò)程中TGO層內(nèi)應(yīng)力變化，彌補(bǔ)了常規(guī)檢測(cè)方法難以表征其應(yīng)力分布的不足。2.采用該方法表征應(yīng)力具有諸多優(yōu)勢(shì):①Cr3I^RjPR2峰很強(qiáng)，具有較強(qiáng)的穿透能力，確保該方法能夠有效地透過(guò)一定厚度的YSZ陶瓷層而獲得底層Ct-Al2O3中的應(yīng)力分布;②測(cè)量過(guò)程中使用的激光光斑很小(最小可到2μπι)，即使經(jīng)過(guò)涂層的散射作用依然可以保持較高的空間分辨率，能夠有效地區(qū)分微米量級(jí)區(qū)域內(nèi)不同位置處的應(yīng)力變化;獲得涂層微米量級(jí)區(qū)域內(nèi)應(yīng)力的檢測(cè)，這也與涂層界面粗糙度為微米量級(jí)相匹配，展示了其它檢測(cè)方法難以比擬的優(yōu)勢(shì);③通過(guò)多點(diǎn)甚至面掃描，可以檢測(cè)某一局部區(qū)域中(毫米或厘米量級(jí))TGO層內(nèi)應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)分布，有效地提高應(yīng)力檢測(cè)的重復(fù)性和準(zhǔn)確性;④作為一種無(wú)損檢測(cè)方法，無(wú)需破壞試樣或工件本身即可獲得其經(jīng)過(guò)不同工況條件下(如恒溫氧化、熱震、熱循環(huán)或高溫焰流熱沖擊等)原位區(qū)域TGO層內(nèi)應(yīng)力的變化情況。
【附圖說(shuō)明】
圖1為采用本發(fā)明的Cr3+熒光壓譜法測(cè)試TGO層內(nèi)殘余應(yīng)力分布的裝置的示意圖；
圖2為PS-PVD沉積熱障涂層結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為涂層所測(cè)不同辦和他特征峰偏移量對(duì)應(yīng)TGO層內(nèi)的壓應(yīng)力；
圖4中的(a)和(b)分別為金屬粘結(jié)層經(jīng)預(yù)氧化處理后光學(xué)照片和表面SEM圖；
圖5為金屬粘結(jié)層表面的EDS圖譜；
圖6中的(a)和(b)，(c)和⑷分別對(duì)應(yīng)圖4(a)中A和B兩個(gè)位置處所測(cè)Ct-Al2O3層內(nèi)應(yīng)力的分布云圖和應(yīng)力數(shù)值的分布統(tǒng)計(jì)；
圖7中的(a)和(b)，(c)和(d)分別為PS-PVD工藝沉積YSZ制備態(tài)涂層和涂層經(jīng)20次熱震實(shí)驗(yàn)后所測(cè)TGO層內(nèi)殘余應(yīng)力的分布云圖和應(yīng)力數(shù)值的分布統(tǒng)計(jì)；
圖8為PS-PVD工藝制備YSZ涂層經(jīng)不同熱震次數(shù)實(shí)驗(yàn)后所測(cè)TGO層內(nèi)殘余應(yīng)力數(shù)值的分布統(tǒng)計(jì)變化情況； 圖9中的(a)為涂層經(jīng)過(guò)200次熱震后的光學(xué)照片，(b)和(c)分別為涂層經(jīng)熱震后發(fā)生明顯開裂的區(qū)域與未發(fā)生明顯開裂的區(qū)域所測(cè)TGO層應(yīng)力數(shù)值的分布統(tǒng)計(jì)；
符號(hào)說(shuō)明:
I鎳基高溫合金 2激光器 3入射光 4 Cr3+熒光 5目鏡 6探測(cè)器 7計(jì)算機(jī) 8熱障涂層 9金屬粘結(jié)層 10 TGO層 11表面陶瓷層。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖和下述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)理解，附圖及下述實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0024]具體的，圖1為采用本發(fā)明的Cr3+熒光壓譜法測(cè)試TGO層內(nèi)殘余應(yīng)力分布的裝置的示意圖，圖2為PS-PVD沉積熱障涂層結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為涂層所測(cè)不同辦和他特征峰偏移量對(duì)應(yīng)TGO層內(nèi)的壓應(yīng)力，即示出TGO層內(nèi)的不同壓應(yīng)力(分別為-0.8IGPa和-1.83GPa)對(duì)應(yīng)辦和R2線的偏移。
[0025]如圖1至圖3所示的實(shí)施形態(tài)中，Cr3+熒光壓譜法檢測(cè)PS-PVD涂層中TGO層內(nèi)應(yīng)力的測(cè)試過(guò)程包括:采用等離子體噴涂-物理氣相沉積(PS-PVD)工藝制備熱障涂層8，該熱障涂層8由鎳基高溫合金1、金屬粘結(jié)層9、TG0層10和表面陶瓷層11構(gòu)成。所述表面陶瓷層11形成于所述TGO層1上。
[0026]進(jìn)一步，采用激光器2可發(fā)射波長(zhǎng)為532nm或633nm的激光，通過(guò)作為入射光3的激光直接入射到Y(jié)SZ陶瓷層表面(表面陶瓷層11)，由于熒光具有較強(qiáng)的穿透能力，可以穿透一定厚度的表面陶瓷層11入射到TGO層10表面(光斑大小約為2μπΟ并激發(fā)出波長(zhǎng)在紅光范圍(λ = 693ηπι左右)內(nèi)的Cr3+焚光。
[0027]具體地，由于在主要成分為Q-Al2O3的TGO層10含有少量的Cr元素，且因?yàn)镃r3+和Al3+的離子半徑相似，兩者形成固溶體，前者以雜質(zhì)形式存在于Al2O3中，可激發(fā)出波長(zhǎng)在紅光范圍內(nèi)的Cr3+熒光4，標(biāo)定處最強(qiáng)的2個(gè)熒光峰常被標(biāo)注為辦和他線的特征峰位置，若Al2O3中不存在應(yīng)力時(shí)，Ri和R2線光譜特征峰分別位于14402cm—4^144320^1
[0028]在計(jì)算所述熱生長(zhǎng)氧化物層的應(yīng)力時(shí)，選用R2線光譜特征峰(14432cm—工)，而其特征峰的偏移量(A uTGQ)與熱生長(zhǎng)氧化物層內(nèi)殘余應(yīng)力(σ.)之間呈線性關(guān)系，即:Δ Utgo =Πτοο.0TGQ，其中nTGQ為壓電系數(shù)且為常量，以此根據(jù)焚光峰R2線光譜特征峰偏移量獲得TGO層內(nèi)殘余應(yīng)力的分布。
[0029]以下結(jié)合附圖通過(guò)示例性的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0030]實(shí)施例1
采用Cr3+熒光壓譜法測(cè)量金屬粘結(jié)層經(jīng)特殊工序(真空擴(kuò)散處理、消除應(yīng)力熱處理、預(yù)氧化處理或高溫服役后氧化等)預(yù)處理后表面形成的Ct-Al2O3層內(nèi)應(yīng)力分布。包括如下步驟:步驟(I)對(duì)例如GH3128鎳基高溫合金進(jìn)行預(yù)處理，包括:對(duì)金屬基材待噴涂表面進(jìn)行粗糙化和凈化處理；
高溫合金尺寸可為Φ 30mm X 5.8mm，先經(jīng)20#白剛玉砂進(jìn)行噴涂處理，工作壓力為0.4?
0.5MPa，隨后進(jìn)行乙醇超聲清洗5分鐘，再用壓縮空氣將其吹干。
[0031]步驟(2)采用低壓等離子噴涂(LPPS)工藝在已處理的金屬基材表面沉積CoNiCrAlY金屬粘結(jié)層，其厚度為80?ΙΟΟμπι。除了上述低壓等離子體噴涂外，還可以采用真空等離子體噴涂(VPS)、超音速火焰噴涂(HVOF)等工藝。
[0032]步驟(3)在金屬粘結(jié)層表面噴涂陶瓷層之前，為獲得高性能涂層體系，可對(duì)噴涂后的金屬粘結(jié)層進(jìn)行真空擴(kuò)散處理、消除應(yīng)力熱處理、預(yù)氧化處理等工藝預(yù)處理，經(jīng)預(yù)處理后在金屬結(jié)合層表面形成一層氧化物層，或是制備態(tài)的涂層經(jīng)高溫服役后由于粘結(jié)層的氧化而形成，主要成分為C1-Al2O3，其厚度為0.5?5μηι。
[0033]經(jīng)預(yù)處理后金屬粘結(jié)層表面粗糙度Ra為8.38 ± 1.27μπι。
[0034]經(jīng)預(yù)處理后金屬粘結(jié)層的表面形貌顯示:預(yù)氧化處理后的粘結(jié)層表面較平整，但由于表面含有呈圓球狀的未熔顆粒，造成涂層表面一定的凹凸不平(見圖4)。由粘結(jié)層表面的能譜分析可以，經(jīng)氧化處理后，粘結(jié)層表層主要形成均勻分布的Ct-Al2O3層(見圖5)。
[0035]采用Cr3+熒光壓譜法測(cè)量粘結(jié)層經(jīng)預(yù)處理后形成的Ct-Al2O3層內(nèi)的應(yīng)力分布:
選用的激光器發(fā)射波長(zhǎng)為532nm的激光，選擇兩個(gè)測(cè)量區(qū)域A和B，其面積均為ImmX
Imm，激光入射在粘結(jié)層表面的光斑尺寸約為2μηι，測(cè)量光斑之間的間距為8μηι X 8μηι，因此在面積為ImmX Imm內(nèi)所獲得的殘余應(yīng)力的數(shù)據(jù)為15876個(gè)，并對(duì)所獲得的應(yīng)力數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分布分析，結(jié)果見于圖6中。
[0036]進(jìn)一步，應(yīng)力分布云圖的不同顏色相應(yīng)地對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)力數(shù)值，如圖6中的(a)和
(c)所示，即使在ImmX Imm區(qū)域內(nèi)，同一區(qū)域內(nèi)不同位置處Al2O3的應(yīng)力并不相同，即粘結(jié)層表面的凹凸形貌變化會(huì)影響Al2O3中應(yīng)力的分布。
[0037]進(jìn)一步，應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在相同的面積內(nèi)(ImmX Imm)，六和13區(qū)域中AI2O3的平均壓應(yīng)力數(shù)值分別為-1.10 ± 0.38GPa和-1.11 ± 0.39GPa，兩個(gè)數(shù)據(jù)能夠很好的吻合，表明預(yù)氧化處理工藝在粘結(jié)層的不同位置處引入的壓應(yīng)力分布均勻。
[0038]實(shí)施例2
采用Cr3+熒光壓譜法檢測(cè)PS-PVD工藝制備YSZ涂層經(jīng)熱震前后TGO層應(yīng)力變化。包括如下步驟。
[0039]步驟(I)對(duì)鎳基高溫合金進(jìn)行預(yù)處理，包括:對(duì)金屬基材待噴涂表面進(jìn)行粗糙化和凈化處理。
[0040]例如GH3128鎳基高溫合金尺寸可為25mmX 25mmX2.7mm,先經(jīng)20#白剛玉砂進(jìn)行噴砂處理，工作壓力為0.4?0.5MPa，隨后進(jìn)行乙醇超聲清洗5分鐘，再用壓縮空氣將其吹干。[0041 ] 步驟(2)采用LPPS工藝在已處理的金屬基材表面沉積CoNiCrAlY金屬粘結(jié)層，其厚度為80?ΙΟΟμπι。除了LPPS工藝，還可以采用VPS、HV0F等工藝。
[0042]步驟(3)在金屬粘結(jié)層表面噴涂陶瓷層之前，為獲得高性能涂層體系，可對(duì)將噴涂后的金屬粘結(jié)層進(jìn)行真空擴(kuò)散處理、消除應(yīng)力熱處理、預(yù)氧化處理或高溫服役后氧化等工藝預(yù)處理，經(jīng)預(yù)處理后在金屬結(jié)合層表面形成一層熱生長(zhǎng)氧化物層，主要成分為Ct-Al2O3，其厚度為I?6μηι。
[0043]步驟(4)采用PS-PVD工藝在已預(yù)處理后的金屬粘結(jié)層表面沉積表面陶瓷層，所沉積的涂層為氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯(簡(jiǎn)稱YSZ)，厚度為?170μηι。
[0044]采用Cr3+熒光壓譜法測(cè)量PS-PVD工藝沉積YSZ涂層后TGO層應(yīng)力分布。
[0045]選用的激光器波長(zhǎng)為532nm，選擇測(cè)量局部區(qū)域的面積為1_X 1mm，測(cè)量光斑之間的間距為8μπι X 8μπι，同樣在面積為Imm X Imm內(nèi)所獲得的TGO層內(nèi)應(yīng)力的數(shù)據(jù)為15876個(gè)，并對(duì)所獲得的應(yīng)力數(shù)據(jù)分布做統(tǒng)計(jì)分析。
[0046]進(jìn)一步，進(jìn)行PS-PVD沉積YSZ涂層抗熱震性能試驗(yàn)。試驗(yàn)采用1100 °C管式爐-水冷熱循環(huán)法，將裝有涂層試樣的坩禍至于管式爐恒溫區(qū)，在1100°C保溫20min，迅速取出并傾入水中淬冷至室溫，之后用壓縮空氣吹干，以此作為一個(gè)循環(huán)。
[0047]進(jìn)一步，采用Cr3+熒光壓譜法檢測(cè)YSZ涂層經(jīng)過(guò)不同熱震實(shí)驗(yàn)次數(shù)后TGO層中的應(yīng)力分布。應(yīng)力的測(cè)量過(guò)程及相應(yīng)參數(shù)的選擇與噴涂態(tài)涂層相同。PS-PVD沉積YSZ涂層中噴涂態(tài)和經(jīng)過(guò)20次熱震后TGO層應(yīng)力的分布云圖和應(yīng)力數(shù)值分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖7。
[0048]進(jìn)一步，如圖7 (a)所示，不同位置處對(duì)應(yīng)不同TGO應(yīng)力分布云圖顏色，表明噴涂態(tài)YSZ涂層中的應(yīng)力分布與界面處凹凸形貌密切相關(guān)。
[0049]進(jìn)一步，如圖7(c)所示，與噴涂態(tài)涂層應(yīng)力分布云圖相比，YSZ涂層經(jīng)20次熱震后應(yīng)力分布云圖的顏色明顯加深，表明熱震后的應(yīng)力數(shù)值發(fā)生了明顯的變化。
[°°50]進(jìn)一步，應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在相同的面積內(nèi)(ImmX Imm)，噴涂態(tài)與熱震后樣品在涂層表面的相同位置處所測(cè)TGO層壓應(yīng)力的平均數(shù)值分別為-1.95±0.17GPa和_3.94±
0.28GPa，表明涂層在熱震實(shí)驗(yàn)的初期，TGO層中的壓應(yīng)力明顯的增加。
[0051 ] PS-PVD沉積YSZ涂層中TGO應(yīng)力隨熱震次數(shù)變化情況以及涂層形貌的變化見圖8。
[0052]進(jìn)一步，YSZ涂層隨著熱震次數(shù)的增加，由于基材發(fā)生明顯的變形，導(dǎo)致在邊緣處和中間區(qū)域涂層發(fā)生剝落，但即便經(jīng)過(guò)高達(dá)300次熱震實(shí)驗(yàn)后，涂層的表面剝落面積依然小于1 %，可見PS-PVD工藝制備的熱障涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的抗熱震性能。
[0053]進(jìn)一步，TGO層中應(yīng)力數(shù)值分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在熱震實(shí)驗(yàn)的初期，TGO層中的壓應(yīng)力迅速的增加(由-1.95 ±0.17GPa增至-3.94±0.28GPa)，但隨熱震次數(shù)的進(jìn)一步增加，TGO層中的應(yīng)力變化并不明顯，由此表明在熱震實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，TGO層中的應(yīng)力變化并不是導(dǎo)致涂層發(fā)生剝落的關(guān)鍵原因。因而熱震實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，YSZ涂層在邊緣和中間區(qū)域剝落主要是由于基材發(fā)生明顯的形變所致。
[0054]進(jìn)一步，圖9示出了涂層經(jīng)過(guò)200次熱震后發(fā)生明顯開裂的區(qū)域與未發(fā)生明顯開裂的區(qū)域所測(cè)TGO層應(yīng)力的數(shù)值的分布統(tǒng)計(jì)?？梢姡繉右寻l(fā)生開裂的區(qū)域所測(cè)應(yīng)力的平均值(_3.13±0.51GPa)要明顯低于未發(fā)生明顯開裂的區(qū)域(_4.03±0.39GPa)，表明表面陶瓷層的開裂和剝落會(huì)有效地釋放TGO層中的應(yīng)力。
[0055]進(jìn)一步，可通過(guò)在YSZ陶瓷層表面實(shí)時(shí)檢測(cè)不同位置處TGO層應(yīng)力的變化，如若發(fā)現(xiàn)某些局部區(qū)域中TGO層應(yīng)力發(fā)生顯著地降低，表明該區(qū)域界面處可能已發(fā)生局部開裂，可見通過(guò)TGO層應(yīng)力的檢測(cè)可反映出涂層的失效情況。
[0056]采用等離子體噴涂-物理氣相沉積工藝制備熱障涂層的制備方法，并采用Cr3+熒光壓譜法檢測(cè)熱障涂層在制備過(guò)程TGO層內(nèi)的殘余應(yīng)力分布。包括如下步驟:
步驟(I)對(duì)鎳基高溫合金基材進(jìn)行預(yù)處理，包括對(duì)金屬基材待噴涂表面進(jìn)行粗糙化和凈化處理。
[0057]步驟(2)進(jìn)一步，采用低壓等離子體噴涂(LPPS)、真空等離子體噴涂(VPS)或超音速火焰噴涂(HVOF)等工藝在已處理的高溫合金表面沉積金屬粘結(jié)層，粘結(jié)層材料為MCrAlY(M為Ni或NiCo)，其厚度為75?250μπι。
[0058]步驟(3)進(jìn)一步，在金屬粘結(jié)層表面噴涂陶瓷層之前，為獲得高性能涂層體系，對(duì)粘結(jié)層進(jìn)行真空擴(kuò)散處理和消除應(yīng)力熱處理等預(yù)處理工序。經(jīng)預(yù)處理后在金屬粘結(jié)層表面形成一薄層，即TGO層10(主要成分為Ct-Al2O3),其厚度約為0.1?ΙΟμπι。采用Cr3+熒光壓譜法測(cè)量TGO層內(nèi)應(yīng)力分布:
由于在Ct-Al2O3層含有少量的Cr元素，且Cr3+和Al3+的離子半徑相似，兩者易形成固溶體，Cr3+以雜質(zhì)形式固溶于Al2O3中，首先，采用激光器發(fā)射波長(zhǎng)為532nm或633nm的激光，通過(guò)激光直接入射到薄層TGO表面(光斑大小約為2μπι)，可以激發(fā)出波長(zhǎng)在紅光范圍內(nèi)(λ =693nm左右)的Cr3+熒光，標(biāo)定處最強(qiáng)的2個(gè)熒光峰辦和他線的特征峰位置；
進(jìn)一步，在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下紅寶石(主要成分為O-Al2O3)所激發(fā)出的Cr3+熒光的波長(zhǎng)為693nm，2個(gè)熒光峰Ri和R2線特征峰分別位于14402cm—4^144320^1;
進(jìn)一步，在計(jì)算所述熱生長(zhǎng)氧化物層的應(yīng)力時(shí)，選用R2線光譜特征峰(14432cm—工)，而其特征峰的偏移量(A uTGQ)與熱生長(zhǎng)氧化物層內(nèi)殘余應(yīng)力(Otgq)之間呈線性關(guān)系，即:Δ Utgo =Πτοο.0TGQ，其中nTGQ為壓電系數(shù)且為常量，以此由R2線光譜特征峰的偏移量獲得TGO層內(nèi)殘余應(yīng)力的分布，即通過(guò)他線特征峰的偏移量獲得金屬粘結(jié)層經(jīng)預(yù)處理后表面形成Ct-Al2O3層中變化的應(yīng)力。
[0059]步驟(4)采用PS-PVD工藝在已預(yù)處理的金屬粘結(jié)層表面沉積表面陶瓷層，涂層材料為氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯(簡(jiǎn)稱YSZ )，其厚度為100?500μπι。
[0060]步驟(4)中，采用Cr3+熒光壓譜法測(cè)量PS-PVD工藝制備YSZ涂層后TGO層內(nèi)應(yīng)力分布:
采用激光器發(fā)射波長(zhǎng)為532nm或633nm的激光，通過(guò)激光直接入射到Y(jié)SZ陶瓷層表面，由于熒光具有較強(qiáng)的穿透能力，可以穿透一定厚度的表面陶瓷層并激發(fā)出波長(zhǎng)在紅光范圍內(nèi)的Cr3+熒光，最強(qiáng)的2個(gè)熒光峰常被標(biāo)注為辦和他線光譜的特征峰位置；
進(jìn)一步，在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下紅寶石(主要成分為O-Al2O3)所激發(fā)出的Cr3+熒光的波長(zhǎng)為693nm，2個(gè)熒光峰Ri和R2線特征峰分別位于14402cm—4^144320^1;
進(jìn)一步，在計(jì)算所述熱生長(zhǎng)氧化物層的應(yīng)力時(shí)，選用R2線光譜特征峰(14432cm—工)，而其特征峰的偏移量(A uTGQ)與熱生長(zhǎng)氧化物層內(nèi)殘余應(yīng)力(Otgq)之間呈線性關(guān)系，即:Δ Utgo =Πτοο.0TGQ，其中nTGQ為壓電系數(shù)且為常量，以此由R2線光譜特征峰的偏移量獲得TGO層內(nèi)殘余應(yīng)力的分布，即通過(guò)R2線特征峰的偏移量獲得PS-PVD工藝沉積YSZ涂層經(jīng)不同工況服役后TGO層內(nèi)應(yīng)力變化。
[0061]本方法的優(yōu)勢(shì)在于，①可成功地解決其它涂層應(yīng)力檢測(cè)手段無(wú)法測(cè)量TGO層內(nèi)應(yīng)力分布的不足;②作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，無(wú)需破壞被測(cè)試樣;③入射激光束光斑僅為?2μm，因而可獲得涂層微米量級(jí)區(qū)域內(nèi)應(yīng)力的檢測(cè)，這也與涂層界面粗糙度為微米量級(jí)相匹配，展示了其它檢測(cè)方法難以比擬的優(yōu)勢(shì);④通過(guò)多點(diǎn)測(cè)量甚至面掃描檢測(cè)，可獲得涂層較大區(qū)域(毫米或厘米量級(jí))內(nèi)大量應(yīng)力數(shù)值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，使得應(yīng)力測(cè)值具有高的可重復(fù)性和可信性。
[0062]本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來(lái)限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的主旨和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動(dòng)和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種熱障涂層中熱生長(zhǎng)氧化物層殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟: 通過(guò)特定波長(zhǎng)的激光束，入射到被測(cè)的所述熱障涂層的表面，激發(fā)出所述熱障涂層中熱生長(zhǎng)氧化物層內(nèi)微量元素Cr3+的熒光光譜； 將所激發(fā)出的Cr3+的熒光光譜特征峰與無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下所激發(fā)出的Cr3+的熒光光譜特征峰相比較，根據(jù)特征峰的偏移量計(jì)算熱生長(zhǎng)氧化物層內(nèi)應(yīng)力的分布。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于， 標(biāo)注最強(qiáng)的兩個(gè)熒光峰RdPR2線的特征峰位置，在計(jì)算所述熱生長(zhǎng)氧化物層內(nèi)應(yīng)力時(shí)，選用R2線光譜特征峰，所述R2線光譜特征峰的偏移量A uTGQ與所述熱生長(zhǎng)氧化物層內(nèi)殘余應(yīng)力Otgq之間呈線性關(guān)系，即:Δ Utgci= Πχοο.0tgci，其中Πταο為壓電系數(shù)且為常量，以此由所述R2線光譜特征峰的偏移量獲得所述熱生長(zhǎng)氧化物層內(nèi)殘余應(yīng)力的分布。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于， 所述熱障涂層通過(guò)等離子體噴涂-物理氣相沉積工藝制備，所述熱障涂層依次包括高溫合金基底，金屬粘結(jié)層，熱生長(zhǎng)氧化物層和表面陶瓷層。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于， 對(duì)所述高溫合金基底進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理包括對(duì)所述高溫合金基底待噴涂表面進(jìn)行粗糙化和凈化處理。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于， 在所述高溫合金基底上采用噴涂工藝制備所述金屬粘結(jié)層，所述噴涂工藝包括低壓等離子體噴涂、真空等離子體噴涂或超音速火焰噴涂工藝;優(yōu)選地，所述金屬粘結(jié)層的材料為MCrAlY，其中 M為 Ni 或 NiCo。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于， 所述熱生長(zhǎng)氧化物層是在制備所述表面陶瓷層之前通過(guò)預(yù)氧化處理手段在所述金屬粘結(jié)層的表面形成。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于， 所述熱生長(zhǎng)氧化物層是經(jīng)高溫服役后由于所述金屬粘結(jié)層的氧化而形成。8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于， 所述熱生長(zhǎng)氧化物層的主要成分為α-Α1203。9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于， 所述表面陶瓷層采用等離子體噴涂-物理氣相沉積工藝制備，所沉積的涂層材料為氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯。10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的無(wú)損檢測(cè)方法，其特征在于， 通過(guò)對(duì)所述熱障涂層進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)或面掃描檢測(cè)以獲得所述熱障涂層上較大區(qū)域內(nèi)的大量應(yīng)力數(shù)值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G01N21/64GK106066319SQ201610570420
【公開日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年7月19日
【發(fā)明人】陶順衍, 楊加勝, 趙華玉, 邵芳, 鐘興華, 王亮
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所